KR102634237B1 - 3차원 성형이 가능한 필름 히터 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 3차원 성형이 가능한 필름 히터에 관한 것이다. 구체적으로, 본 발명은 고연신성을 가지는 동시에 연신성과 상충관계에 있는 고온 내구성이 우수하여 연신시 크랙 등의 기계적 파손이 억제될 수 있고, 종래 스트레처블 소재와 같이 성형 이후 원래의 형상으로 복원되는 것이 아니라 성형된 형상으로 안정적으로 유지되는 특성을 보유하며, 3차원 성형에 의한 변형시 저항의 변화율이 최소화될 수 있어 균일한 발열을 통해 피사체에 신속한 온열감을 제공할 수 있는 3차원 성형이 가능한 필름 히터에 관한 것이다.
Description
본 발명은 3차원 성형이 가능한 필름 히터에 관한 것이다. 구체적으로, 본 발명은 고연신성을 가지는 동시에 연신성과 상충관계에 있는 고온 내구성이 우수하여 연신시 크랙 등의 기계적 파손이 억제될 수 있고, 종래 스트레처블 소재와 같이 성형 이후 원래의 형상으로 복원되는 것이 아니라 성형된 형상으로 안정적으로 유지되는 특성을 보유하며, 3차원 성형에 의한 변형시 저항의 변화율이 최소화될 수 있어 균일한 발열을 통해 피사체에 신속한 온열감을 제공할 수 있는 3차원 성형이 가능한 필름 히터에 관한 것이다.
필름 히터는 유연한 고분자 필름에 전극 및 상기 전극에 연결된 하나 이상의 발열체를 직렬 또는 병렬 연결로 인쇄 또는 코팅하여 제조되고 전극에 전원 인가시 상기 전극에 연결된 발열체에 전류가 흐르면서 보유한 저항에 의해 발열함으로써 피사체에 온열감을 제공하는 히터로서, 두께가 얇고 대면적으로 제조가 가능하며 저전력으로 신속한 온열감을 제공할 수 있는 장점이 있어 최근 온열기, 살균기 등의 생활가전이나 자동차, 건축물 등에 다양한 형태로 적용되고 있다.
그러나, 종래 필름 히터는 2차원 형상을 보유하기 때문에 3차원 형상의 구조물에 밀착하여 부착하기 어려워 V-cut 등의 칼집을 내어서 접착하는 방식으로 구조물에 부착해야 하는데, 이로 인해 조립상의 어려움이 있거나 내환경 시험시 불량의 원인이 되는 문제가 있다.
또한, 종래 필름 히터는 소재의 고온 내구성이 불충분해 150℃ 이상의 고온에서 사용하기 어려운 문제가 있고, 제한된 온도에서의 경화가 요구되거나 제한된 인쇄법이나 코팅법에 의해 형성할 수 있는 등 적용 범위가 협소하며, 특히 3차원 성형시 소재의 연신(elongation)이 필연적으로 일어나게 되는데, 이러한 연신에 의해 크랙 등의 기계적 파손이 발생할 수 있고, 나아가 발열체의 급격한 저항 변화가 일어나 발열 성능이 크게 저하되는 문제가 발생할 수 있다.
종래 고연신성을 보유한 우레탄 수지나 폴리디메틸설페이트(PDMS) 수지 등을 이용하는 스트레쳐블(stretchable) 소재가 있으나 이러한 스트레쳐블 소재는 성형 이후 원래의 형상으로 복원되는 특성이 있어 3차원 형상의 구조물에 밀착하여 성형된 형상을 안정적으로 유지해야 하는 필름 히터에 적용하기 어렵다.
따라서, 고연신성을 보유하는 동시에 연신성과 상충관계에 있는 고온 내구성이 우수하여 연신시 크랙 등의 기계적 파손이 억제될 수 있고, 종래 스트레처블 소재와 같이 성형 이후 원래의 형상으로 복원되는 것이 아니라 성형된 형상으로 안정적으로 유지되는 특성을 보유하며, 3차원 성형에 의한 변형시 저항의 변화율이 최소화될 수 있어 균일한 발열을 통해 피사체에 신속한 온열감을 제공할 수 있는 3차원 성형이 가능한 필름 히터가 절실히 요구되고 있는 실정이다.
본 발명은 고연신성을 보유하는 동시에 연신성과 상충관계에 있는 고온 내구성이 우수하여 연신시 크랙 등의 기계적 파손이 억제될 수 있는 3차원 성형이 가능한 필름 히터를 제공하는 것을 목적으로 한다.
또한, 본 발명은 종래 스트레처블 소재와 같이 성형 이후 원래의 형상으로 복원되는 것이 아니라 성형된 형상으로 안정적으로 유지되는 특성을 보유하는 3차원 성형이 가능한 필름 히터를 제공하는 것을 목적으로 한다.
나아가, 본 발명은 3차원 성형에 의한 변형시 발열체 저항의 변화율이 최소화되고 크랙, 핀홀 등의 기계적인 파손이 없으며 균일한 발열을 통해 피사체에 신속한 온열감을 제공할 수 있는 3차원 성형이 가능한 필름 히터를 제공하는 것을 목적으로 한다.
상기 과제를 해결하기 위해, 본 발명은,
베이스 필름; 상기 베이스 필름의 일면에 형성되고 서로 다른 극성을 갖는 한 쌍의 전극; 및 상기 한 쌍의 전극 각각에 연결되고 탄소나노튜브를 포함하는 하나 이상의 발열체를 포함하고, 상기 베이스 필름은 인장강도가 80 kgf/cm2 이상, 탄성계수가 550 내지 4,000 MPa인 고분자 필름을 포함하는, 3차원 성형이 가능한 필름 히터를 제공한다.
여기서, 상기 고분자 필름은 폴리에틸렌테레프탈레이트(PET), 폴리카보네이트(PC), 폴리사이클로헥실렌디메틸렌테레프탈레이트(PCT) 및 폴리에틸렌테레프탈레이트글리콜(PETG), 액적 고분자(LCP), 아크릴로니트릴-부타디엔-스티렌(ABS), 고충격폴리스티렌(HIPS), 폴리프로필렌(PP), 폴리염화비닐(PVC) 등으로 이루어진 그룹으로부터 선택된 1종 이상의 고분자로 이루어진 필름을 포함하는 것을 특징으로 하는, 3차원 성형이 가능한 필름 히터를 제공한다.
한편, 상기 발열체는 바인더 수지, 전도성 입자, 접착력 강화제 및 내열성 강화제를 포함하는 발열체 조성물로부터 형성되고, 상기 접착력 강화제는 폴리비닐아세탈을 포함하고, 상기 내열성 강화제는 실세스퀴옥산 분말을 포함하며, 상기 전도성 입자는 탄소나노튜브를 포함하며, 상기 바인더 수지는 레졸계 페놀 수지, 불포화 폴리에스테르 수지 및 크레졸계 페놀 수지로 이루어진 그룹으로부터 선택된 1종 이상을 포함하는 것을 특징으로 하는, 3차원 성형이 가능한 필름 히터를 제공한다.
여기서, 상기 바인더 수지는 레졸계 페놀 수지 또는 크레졸계 페놀 수지를 포함하고, 상기 발열체 조성물은 가교제를 추가로 포함하는 것을 특징으로 하는, 3차원 성형이 가능한 필름 히터를 제공한다.
또한, 상기 가교제는 이소포론디이소시아네이트, 헥사메틸렌디이소시아네이트 및 노르보난디이소시아네이트로 이루어진 그룹으로부터 선택된 1종 이상의 이소시아네이트 가교제를 포함하고, 상기 가교제의 함량은 상기 바인더 수지 100 중량부를 기준으로 70 내지 120 중량부인 것을 특징으로 하는, 3차원 성형이 가능한 필름 히터를 제공한다.
그리고, 상기 전도성 입자는 탄소나노튜브(CNT)를 포함하고, 상기 탄소나노튜브(CNT)의 함량은 상기 발열체 조성물의 총 중량을 기준으로 3.5 내지 15 중량%인 것을 특징으로 하는, 3차원 성형이 가능한 필름 히터를 제공한다.
여기서, 상기 전도성 입자는 카본블랙, 그라파이트, 그래핀 플레이크 및 금속 입자로 이루어진 그룹으로부터 선택된 1종 이상을 추가로 포함하는 것을 특징으로 하는, 3차원 성형이 가능한 필름 히터를 제공한다.
한편, 상기 폴리비닐아세탈은 폴리비닐부티랄(PVB)을 포함하고, 상기 폴리비닐아세탈의 함량은 상기 바인더 수지 100 중량부를 기준으로 10 내지 100 중량부인 것을 특징으로 하는, 3차원 성형이 가능한 필름 히터를 제공한다.
또한, 상기 실세스퀴옥산 분말은 폴리메틸실세스퀴옥산 분말을 포함하고, 상기 실세스퀴옥산 분말의 함량은 상기 발열체 조성물의 총 중량을 기준으로 0.5 내지 20 중량%인 것을 특징으로 하는, 3차원 성형이 가능한 필름 히터를 제공한다.
그리고, 상기 발열체 조성물은 카비톨 아세테이트, 부틸 카비톨, 부틸 카비톨 아세테이트, 디부틸 에테르(DBE), 부탄올 및 옥타놀로 이루어진 그룹으로부터 선택된 1종 이상의 유기 용매를 포함하는 것을 특징으로 하는, 3차원 성형이 가능한 필름 히터를 제공한다.
나아가, 상기 한 쌍의 전극은 은(Ag), 알루미늄(Al), 구리(Cu), 니켈(Ni), 스테인레스 스틸 및 이들의 합금으로 이루어진 그룹으로부터 선택된 1종 이상의 전도성 금속으로 이루어진 것을 특징으로 하는, 3차원 성형이 가능한 필름 히터를 제공한다.
한편, 상기 베이스 필름의 타면에는 단열재나 금속판이 추가로 구비되는 것을 특징으로 하는, 3차원 성형이 가능한 필름 히터를 제공한다.
본 발명에 따른 3차원 성형이 가능한 필름 히터는 특정 물성을 갖는 베이스 필름 및 새로운 소재의 발열체의 조합을 통해 고연신성을 보유하는 동시에 연신성과 상충관계에 있는 고온 내구성이 우수하여 연신시 크랙 등의 기계적 파손이 억제될 수 있고, 종래 스트레처블 소재와 같이 성형 이후 원래의 형상으로 복원되는 것이 아니라 성형된 형상으로 안정적으로 유지되는 특성을 보유하며, 3차원 성형에 의한 변형시 발열체 저항의 변화율이 최소화되어 균일한 발열을 통해 피사체에 신속한 온열감을 제공할 수 있는 우수한 효과를 나타낸다.
도 1은 본 발명에 따른 3차원 성형이 가능한 필름 히터에 관한 하나의 실시예의 단면 구조를 개략적으로 도시한 것이다.
도 2는 본 발명에 따른 3차원 성형이 가능한 필름 히터에 관한 또 하나의 실시예의 단면 구조를 개략적으로 도시한 것이다.
도 3은 실시예 1의 2차원 필름 히터 및 3차원 성형된 필름 히터 사진이다.
도 4는 실시예 1의 3차원 성형된 필름 히터에 대한 발열부/전극부 계면의 광학이미지 및 비교예 1의 3차원 성형된 필름 히터에 대한 표면의 광학이미지이다.
도 5는 실시예 1의 2차원 필름 히터 및 3차원 성형된 필름 히터의 발열시 열화상 카메라로 촬영한 사진이다.
도 6은 실시예에서 3차원 성형성을 평가하기 위한 진공 열성형기의 모습을 개략적으로 도시한 것이다.
도 2는 본 발명에 따른 3차원 성형이 가능한 필름 히터에 관한 또 하나의 실시예의 단면 구조를 개략적으로 도시한 것이다.
도 3은 실시예 1의 2차원 필름 히터 및 3차원 성형된 필름 히터 사진이다.
도 4는 실시예 1의 3차원 성형된 필름 히터에 대한 발열부/전극부 계면의 광학이미지 및 비교예 1의 3차원 성형된 필름 히터에 대한 표면의 광학이미지이다.
도 5는 실시예 1의 2차원 필름 히터 및 3차원 성형된 필름 히터의 발열시 열화상 카메라로 촬영한 사진이다.
도 6은 실시예에서 3차원 성형성을 평가하기 위한 진공 열성형기의 모습을 개략적으로 도시한 것이다.
이하, 본 발명의 바람직한 실시예들을 상세히 설명하기로 한다. 그러나, 본 발명은 여기서 설명된 실시예들에 한정되지 않고 다른 형태로 구체화될 수도 있다. 오히려, 여기서 소개되는 실시예들은 개시된 내용이 철저하고 완전해질 수 있도록, 그리고 당업자에게 본 발명의 사상이 충분히 전달될 수 있도록 하기 위해 제공되어지는 것이다. 명세서 전반에 걸쳐 동일한 도면 부호는 동일한 구성을 의미한다.
도 1은 본 발명에 따른 3차원 성형이 가능한 필름 히터에 관한 하나의 실시예의 단면 구조를 개략적으로 도시한 것이다.
도 1에 도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 3차원 성형이 가능한 필름 히터는 베이스 필름(100)의 일면에 서로 다른 극성을 갖는 한 쌍의 전극(200)이 형성되고 상기 한 쌍의 전극(200) 각각에 연결된 하나 이상의 발열체(300)가 구비될 수 있다.
이로써, 외부로부터 상기 한 쌍의 전극(200)에 전원이 인가되면 상기 한 쌍의 전극(200) 각각에 연결된 하나 이상의 발열체(300)에 전류가 흐르게 되고 상기 발열체(300)가 보유한 저항에 의해 발열함으로써 피사체에 온열감을 제공하게 된다. 여기서, 상기 하나 이상의 발열체(300)는 복수 개의 발열체를 포함하는 경우 복수 개의 발열체가 서로 직렬 또는 병렬로 연결될 수 있다.
상기 베이스 필름(100)은 3차원 성형이 가능하도록 고연신성 및 성형 후 형상 유지 특성을 보유하고 상기 발열체(300)의 고온 발열을 견딜 수 있도록 내열성, 즉 고온 내구성이 요구된다. 상기 베이스 필름(100)은 앞서 기술한 물성을 만족하기 위해 인장강도가 80 kgf/cm2 이상, 예를 들어 80 내지 750 kgf/cm2, 바라직하게는 100 내지 560 kgf/cm2, 탄성계수가 550 내지 4,000 MPa, 바람직하게는 590 내지 2,000 MPa, 유리전이온도가 150℃ 이하, 예를 들어, -30 내지 150℃, 바람직하게는 80 내지 100℃의 물성을 보유하는 고분자 필름일 수 있고, 예를 들어 폴리에틸렌테레프탈레이트(PET), 폴리카보네이트(PC), 폴리사이클로헥실렌디메틸렌테레프탈레이트(PCT), 폴리에틸렌테레프탈레이트글리콜(PETG), 액적 고분자(LCP), 아크릴로니트릴-부타디엔-스티렌(ABS), 고충격폴리스티렌(HIPS), 폴리프로필렌(PP), 폴리염화비닐(PVC) 등으로 이루어진 필름일 수 있다.
한편, 상기 전극(200)은 은(Ag), 알루미늄(Al), 구리(Cu), 니켈(Ni), 스테인레스 스틸, 이들의 합금 등의 전도성 금속으로 이루어질 수 있고, 베이스 필름에 적층된 금속박을 포토리소그래피에 의한 에칭 등의 공정에 의해 일정한 패턴으로 가공함으로써 형성될 수 있다.
상기 발열체(300)는 바인더 수지, 가교제, 전도성 입자, 접착력 강화제, 내열성 강화제, 유기 용매 등을 포함하는 발열체 조성물의 인쇄나 코팅에 의해 형성될 수 있고, 이러한 발열체는 15% 연신시 저항변화율이 15% 이하, 바람직하게는 20% 연신시 저항변화율이 28% 이하일 수 있다. 여기서, 저항변화율이란 연신 이전의 저항을 기준으로 연신 이후 저항의 증가분이 초기 저항에서 차지하는 비율을 의미한다.
상기 바인더 수지는 상기 발열체 조성물의 베이스 소재로서 상기 발열체 조성물이 스크린, 그라비아, 콤마 코팅, 스프레이 코팅, 슬롯 다이(slot die) 코팅 등의 인쇄 또는 코팅 공법에 의해 발열체가 형성될 수 있도록 성형성을 보유하고, 특히 상기 발열체 조성물로부터 형성된 발열체 및 이를 포함하는 필름 히터의 3차원 성형이 가능하도록 연신성 및 성형 후 형상 유지 특성을 보유할 수 있고, 연신성이 우수함에도 불구하고 200℃ 이상의 고온에서도 사용 가능하도록 고온 내구성이 우수하며 150℃ 이하에서 경화 가능하므로 폴리에틸렌테레프탈레이트(PET), 폴리카보네이트(PC), 폴리에틸렌나프탈레이트(PEN), 폴리이미드(PI), 액정수지(LCP), 액적 고분자(LCP), 아크릴로니트릴-부타디엔-스티렌(ABS), 고충격폴리스티렌(HIPS), 폴리프로필렌(PP), 폴리염화비닐(PVC) 등의 다양한 플라스틱 필름에 적용 가능할 수 있다.
상기 바인더 수지는 예를 들어 레졸계 페놀 수지, 불포화 폴리에스테르 수지, 크레졸계 페놀 수지 등으로 이루어진 그룹으로부터 선택된 1종 이상, 바람직하게는 레졸계 페놀 수지를 포함할 수 있다.
여기서, 상기 바인더 수지가 레졸계 페놀 수지나 크레졸계 페놀 수지 또는 이들 모두를 포함하는 경우 상기 발열체 조성물은 가교제를 추가로 포함할 수 있고, 상기 가교제는 상기 발열체 조성물의 인쇄 또는 코팅 후 상기 바인더 수지의 가교를 통해 상기 발열체 조성물로부터 형성되는 발열체의 성형 후 형상 유지 특성, 고온 내구성 등을 향상시킬 수 있고, 예를 들어, 이소포론디이소시아네이트, 헥사메틸렌디이소시아네이트, 노르보난디이소시아네이트 등의 이소시아네이트 가교제를 포함할 수 있다.
상기 이소시아네이트 가교제는 일정 온도 이하에서는 활성이 없어 보관시 가교 반응이 일어나지 않는 저장안정성 및 작업성이 우수하고, 상기 바인더 수지 100 중량부를 기준으로 70 내지 120 중량부로 포함될 수 있다.
여기서, 상기 가교제의 함량이 70 중량부 미만인 경우 상기 바인더 수지의 가교도가 낮아 상기 발열체 조성물의 내열성이 저하되는 반면, 상기 가교제의 함량이 120 중량부 초과인 경우 상기 발열체 조성물의 인쇄 또는 코팅에 의해 형성된 발열체의 취성이 과도하여 연신성이 저하되고 결과적으로 3차원 성형시 기계적인 결함이 발생할 수 있다.
상기 전도성 입자는 탄소나노튜브(CNT)를 포함할 수 있다. 상기 탄소나노튜브는 종횡비가 크기 때문에 상기 발열체 조성물로부터 형성된 발열체의 연신시에도 탄소나노튜브 입자 사이의 거리가 유지될 수 있으므로 상기 발열체는 연신이나 3차원 성형시에도 저항의 변화를 최소화할 수 있다.
상기 탄소나노튜브(CNT)의 함량은 상기 발열체 조성물의 총 중량을 기준으로 3.5 내지 15 중량%일 수 있고, 상기 탄소나노튜브(CNT)의 함량이 3.5 중량% 미만인 경우 상기 발열체의 저항이 높고 연신시 저항변화율이 크고 상기 발열체 조성물의 점도가 너무 낮아 인쇄 또는 코팅 등의 작업성이 저하되는 반면, 상기 탄소나노튜브(CNT)의 함량이 15 중량% 초과인 경우 상기 발열체 조성물 내에서 상기 탄소나노튜브(CNT)의 분산이 어려워 결과적으로 저항이 저하되고 특히 상기 발열체의 연신이나 3차원 성형시 저항 변화율이 증가할 수 있다.
상기 전도성 입자는 상기 탄소나노튜브(CNT) 이외에 카본블랙, 그라파이트, 그래핀 플레이크, 금속 입자 등의 전도성 보조 입자를 추가로 포함할 수 있고, 이로써 상기 발열체의 연신이나 3차원 성형시 저항 변화율을 추가로 감소시킬 수 있으며, 여기서 상기 전도성 보조 입자의 함량은 상기 발열체 조성물의 총 중량을 기준으로 1 내지 10 중량%일 수 있다.
상기 접착력 강화제는 상기 발열체 조성물로부터 형성되는 발열체의 유연성 및 접착력을 추가로 향상시키는 기능을 수행함으로써 상기 발열체의 연신이나 3차원 성형을 더욱 용이하게 할 수 있다. 상기 접착력 강화제는 폴리비닐알코올과 알데하이드를 합성한 폴리비닐아세탈을 포함할 수 있고, 상기 알데하이드는 n-부틸 알데하이드, 이소부틸 알데하이드, n-배럴 알데하이드, 2-에틸 부틸 알데하이드, n-헥실 알데하이드 등으로 이루어진 그룹으로부터 선택된 1종 이상을 포함할 수 있으며, 상기 접착력 강화제는 바람직하게는 폴리비닐부티랄(PVB)을 포함할 수 있다.
상기 접착력 강화제의 함량은 상기 바인더 수지 100 중량부를 기준으로 10 내지 100 중량부일 수 있다. 상기 접착력 강화제의 함량이 10 중량부 미만인 경우 상기 발열체 조성물의 유연성, 접착력 등이 불충분할 수 있는 반면, 상기 접착력 강화제의 함량이 100 중량부 초과인 경우 상기 발열체 조성물의 점성이 과도하여 인쇄 및 코팅 특성이 크게 저하될 수 있다.
상기 내열성 강화제는 상기 발열체 조성물의 내열성, 즉 고온 내구성 및 유연성을 추가로 향상시키는 기능을 수행함으로써 상기 발열체 조성물가 다양한 플라스틱 필름에 적용될 수 있고 상기 발열체의 연신이나 3차원 성형을 더욱 용이하게 할 수 있다.
상기 내열성 강화제는 실세스퀴옥산 분말, 바람직하게는 폴리메틸실세스퀴옥산, 폴리프로필실세스퀴옥산 등의 폴리알킬실세스퀴옥산 분말을 포함할 수 있고, 상기 내열성 강화제의 함량은 상기 발열체 조성물의 총 중량을 기준으로 0.5 내지 20 중량%일 수 있다.
여기서, 상기 내열성 강화제의 함량이 0.5 중량% 미만인 경우 상기 발열체 조성물로부터 형성된 발열체의 연신시 크랙이 빈번하게 발생할 수 있는 반면, 상기 내열성 강화제의 함량이 20 중량% 초과인 경우 상기 발열체 조성물의 점성이 과도하여 상기 발열체 조성물로부터 형성되는 발열체의 막 특성이 저하될 수 있다.
상기 발열체 조성물은 점도, 요변지수 등의 레올로지를 조절하기 위해 추가로 카비톨 아세테이트, 부틸 카비톨, 부틸 카비톨 아세테이트, 디부틸 에테르(DBE), 부탄올, 옥타놀 등의 유기 용매를 추가로 포함할 수 있고, 상기 유기 용매의 함량은 상기 발열체 조성물의 총 중량을 기준으로 35 내지 50 중량%일 수 있다.
상기 발열체 조성물은 앞서 기술한 구성성분의 조합 및 이에 의한 연신시 조절된 저항변화율을 통해 고연신성을 보유하는 동시에 연신성과 상충관계에 있는 고온 내구성이 우수하여 연신시 크랙 등의 기계적 파손이 억제될 수 있고, 종래 스트레처블 소재와 같이 성형 이후 원래의 형상으로 복원되는 것이 아니라 성형된 형상으로 안정적으로 유지되는 특성을 보유하며, 3차원 성형에 의한 변형시 저항의 변화율이 최소화될 수 있고, 150℃ 이하에서 경화 가능하고 다양한 인쇄나 코팅에 의해 발열체를 형성할 수 있어 다양한 필름 히터에 적용 가능한 우수한 효과를 나타낸다.
또한, 상기 발열체 조성물로부터 형성된 발열체는 비저항이 10-1 내지 1×10-3 Ω㎝로 구현될 수 있고, 인쇄된 발열체 도막의 비저항, 두께, 면적 및 인가되는 전원을 고려할 때 250℃ 이상 발열하는데 문제가 없다. 다만, 종래 우레탄 수지나 폴리디메틸설페이트(PDMS) 수지 등을 이용하는 스트레쳐블(stretchable) 소재는 내열성이 크게 떨어지고 이로 인해 발열체의 저항변화나 도막의 파손이 발생하기 때문에 3차원 성형될 발열체의 바인더 수지로 사용할 수 없다.
도 2는 본 발명에 따른 3차원 성형이 가능한 필름 히터에 관한 또 하나의 실시예의 단면 구조를 개략적으로 도시한 것이다.
도 2에 도시된 바와 같이, 상기 베이스 필름(100)의 타면에는 단열재(400) 및 상기 단열재(400) 하부에 구비된 금속판(500)이 형성될 수 있다. 상기 단열재(400)는 상기 발열체(300)의 발열에 의한 열에너지가 상기 베이스 필름(100)을 매개로 상기 베이스 필름(100)의 타면 쪽으로 손실되는 것을 방지함으로써 상기 발열체(300)가 피사체에 대해 충분한 열에너지를 공급하도록 하는 기능을 수행하고, 예를 들어 발포 스트리폼 단열재나 내부에 공기가 충진되어 공기단열층을 형성하는 허니콤 단열재 등의 스페이서 단열재로 구비될 수 있다.
상기 단열재(400)가 발포 스티로폼 단열재인 경우 상기 금속판(500)은 상기 발포 스티로폼 단열재의 외부의 충격이나 압력으로부터 보호하는 기능을 수행하고, 상기 단열재(400)가 스페이서 단열재인 경우 상기 금속판(500)은 상기 스페이서의 내부 빈 공간을 밀폐하는 동시에 상기 베이스 필름(100)의 타면으로부터의 복사광을 다시 상기 베이스 필름(100)으로 반사함으로써 추가적인 열손실을 방지하는 반사판으로서의 기능을 수행할 수 있다.
본 발명에 따른 3차원 성형이 가능한 필름 히터는 앞서 기술한 구조와 소재의 조합을 통해 고연신성을 보유하는 동시에 연신성과 상충관계에 있는 고온 내구성이 우수하여 연신시 크랙 등의 기계적 파손이 억제될 수 있고, 종래 스트레처블 소재와 같이 성형 이후 원래의 형상으로 복원되는 것이 아니라 성형된 형상으로 안정적으로 유지되는 특성을 보유하며, 3차원 성형에 의한 변형시 발열체 저항의 변화율이 최소화되어 균일한 발열을 통해 피사체에 신속한 온열감을 제공할 수 있는 우수한 효과를 나타낸다.
[실시예]
1. 제조예
1) 발열체 페이스트 조성물의 제조예
아래 표 1에 기재된 구성성분 및 함량으로 발열체 조성물을 제조했다. 구체적으로, 전도성 입자를 분산제와 함께 유기 용매에 첨가하고 60분간 초음파 처리하여 전도성 카본 분산액을 제조한다. 다음으로 바인더 수지와 다른 첨가제를 기계적 교반 또는 자전공전이 가능한 기계적 혼련을 통해 마스터 배치(master batch, M/B)로 제조하고 전도성 카본 분산액과 함께 기계적 교반을 통해 혼련한 후 3-roll mill을 이용해 완전히 혼련함으로써 발열체 페이스트 조성물을 제조했다. 아래 표 1에 기재된 함량의 단위는 중량%이다.
| 실시예 | 비교예 | ||||||||||||||
| 1 | 2 | 3 | 4 | 5 | 6 | 7 | 8 | 1 | 2 | 3 | 4 | 5 | 6 | 7 | |
| 바인더 수지1 | 15 | 15 | 15 | 15 | 12 | 15 | 15 | 15 | |||||||
| 바인더 수지2 | 15 | 15 | |||||||||||||
| 바인더 수지3 | 30 | 25 | 30 | ||||||||||||
| 바인더 수지4 | 30 | ||||||||||||||
| 바인더 수지5 | 30 | ||||||||||||||
| 가교제 | 15 | 15 | 0 | 11 | 18 | 15 | 12 | 0 | 15 | 15 | 0 | 20 | 15 | 0 | 0 |
| 접착력 강화제 | 15 | 15 | 15 | 10 | 8 | 12 | 8 | 10 | 15 | 15 | 15 | 10 | 20 | 0 | 0 |
| 전도성 입자1 | 6 | 6 | 6 | 8 | 3.5 | 15 | 6 | 5 | 6 | 6 | 6 | 8 | 3.5 | 8 | 8 |
| 전도성 입자2 | 0 | 0 | 0 | 5 | 8 | 0 | 0 | 5 | 0 | 0 | 0 | 5 | 5 | 5 | 5 |
| 내열성 강화제 | 4 | 4 | 4 | 2 | 6 | 0.5 | 10 | 3 | 0 | 0 | 0 | 2 | 2 | 4 | 4 |
| 유기용매 | 42 | 42 | 42 | 45 | 39.5 | 37.5 | 49 | 49 | 46 | 46 | 46 | 36 | 37.5 | 50 | 50 |
| 분산제 | 3 | 3 | 3 | 4 | 2 | 5 | 3 | 3 | 3 | 3 | 3 | 4 | 2 | 3 | 3 |
- 바인더 수지1 : 레졸계 페놀
- 바인더 수지2 : 크레졸계 페놀
- 바인더 수지3 : 불포화 폴리에스테르
- 바인더 수지4 : 폴리아크릴레이트
- 바인더 수지5 : 폴리우레탄
- 가교제 : 이소시아네이트
- 접착력 강화제 : 폴리비닐부티랄
- 전도성 입자1 : 탄소나노튜브
- 전도성 입자2 : 그라파이트
- 내열성 강화제 : 폴리메틸실세스퀴옥산
- 유기용매 : 부틸 카비톨
- 분산제 : BYK사 분산제
2) 필름 히터의 제조예
폴리사이클로헥실렌디메틸렌테레프탈레이트(PCT) 필름에 스크린 프린터를 이용하여 실시예 및 비교예 각각의 발열체 페이스트 조성물을 인쇄 및 건조하고, 은(Ag) 전극 페이스트를 인쇄 및 건조함으로써 2차원 필름 히터를 제조했다. 다음으로 제조한 2차원 필름 히터를 진공 성형기를 이용하여 3차원으로 성형함으로써 3차원 성형 필림 히터를 제조했다.
2. 물성 평가
1) 면저항 및 연신시 저항변화율 평가
실시예 및 비교예 각각에 따른 발열체 페이스트 조성물을 3 cm × 3 cm 크기로 스크린 인쇄 후 경화시켜 발열체 시편을 제조한 후 4단자 측정법(Loresta-GX)을 이용해 발열체 시편의 면저항을 측정했다.
또한, 실시예 및 비교예 각각에 따른 발열체 페이스트 조성물을 2.5 cm × 5 cm 크기로 스크린 인쇄 후 경화시키고 양 끝단에 은(Ag) 전극을 인쇄하여 발열체 시편을 제조했고 만능인장시험 장비를 이용해 15% 및 20% 인장 후 인장된 상태의 시편 저항을 측정했고, 인장 전 저항을 기준으로 증가항 저항의 분율에 해당하는 저항변화율을 계산했다.
나아가, 3차원 성형 전/후 필름 히터의 열화상 카메라 촬영을 통해 저항 변화에 의한 발열균일도를 평가했다.
2) 기계적 결함 평가
실시예 및 비교예 각각에 다른 발열체 페이스트 조성물로부터 형성된 발열체가 구비되고 3차원으로 성형한 필름 히터에서 발열체의 표면을 전자현미경(SEM)으로 관찰함으로써 크랙 여부를 확인했다.
3) 3차원 성형성 평가
도 6에 도시된 진공열성형기를 이용하여 실시예 및 비교예 각각에 따른 필름 히터 시편을 도 6에 도시된 필름의 위치에 장착한 후 시편을 200℃로 예열하고 반구몰드가 있는 아래 방향으로 당겨 성형한다. 성형 이후 필름 히터 시편의 기계적인 파손 유무를 관찰하고 전기적인 특성 및 발열거동을 분석함으로써 성형성을 평가했다.
4) 사용가능 온도 평가
200oC 사용성을 평가하기 위해서 실시예 및 비교예 각각의 발열체 조성물 폴리이미드 기판에 스크린 프린터를 이용하여 인쇄 및 건조함으로써 도 3의 2차원 필름 히터 시편을 제조한 후 시편에 200oC 발열이 되는 전압을 인가하여 발열 시험했다. 시험시 연기가 나거나 열분해가 나는 시편은 바로 불량으로 처리한다. 정상 작동하는 필름 히터 시편에 대해서 실온에서 200oC까지 1,000회의 on/off cycle 단속수명 시험을 하고 1시간 방치 후 다시 재작동 했을 때 시험전에 비해서 5% 이내로 단자저항과 발열온도가 유지될 때 사용가능한 것으로 판별하였다.
상기 평가 결과는 아래 표 2 및 도 3 내지 5에 나타난 바와 같다.
| 면저항 (Ω/□) |
15% 연신시 저항변화율(%) |
20% 연신시 저항변화율(%) |
크랙 유무 |
3차원 성형성 |
사용가능온도(℃) | 기타 | ||
| 실 시 예 |
1 | 74.2 | 4.4 | 17.8 | 無 | 우수 | 200↑ | |
| 2 | 78.6 | 6.7 | 18.5 | 無 | 우수 | 200↑ | ||
| 3 | 77.8 | 5.1 | 18.4 | 無 | 우수 | 200↑ | ||
| 4 | 40.82 | 4.3 | 15.2 | 無 | 우수 | 200↑ | ||
| 5 | 62.7 | 10.2 | 22.5 | 無 | 우수 | 200↑ | ||
| 6 | 42.5 | 11.8 | 24.5 | 無 | 우수 | 200↑ | ||
| 7 | 87.9 | 14.2 | 27.5 | 無 | 우수 | 200↑ | ||
| 8 | 47.5 | 5.7 | 19.2 | 無 | 우수 | 200↑ | ||
| 비 교 예 |
1 | 62.8 | 21.8 | 41.5 | 有 | 불량 | 200↑ | |
| 2 | 68.7 | 22.4 | 55.5 | 有 | 불량 | 200↑ | ||
| 3 | 70.4 | 24.1 | 54.2 | 有 | 불량 | 200↑ | ||
| 4 | 38.2 | 28.2 | 35.2 | 有 | 불량 | 200↑ | ||
| 5 | 55.7 | 14.2 | 21.5 | 無 | 불량 | 200↑ | 인쇄성불량,과도한 점성 | |
| 6 | 47.5 | 14.8 | 27.4 | 有 | 보통 | 150↓ | ||
| 7 | 55.2 | 13.2 | 29.5 | 無 | 보통 | 150↓ | ||
상기 표 2에 기재된 바와 같이, 본 발명에 따른 실시예 1 내지 8의 발열체 조성물로부터 형성된 발열체는 15% 연신시 저항변형율이 15% 이하로 조절되고, 추가로 20% 연신시 저항변형율이 28% 이하로 조절되는 동시에, 도 3 및 4에 나타난 바와 같이 3차원 성형시에도 크랙이 발생하지 않는 등 기계적 강도가 우수하며 3차원 성형 후 형상 유지 특성이 우수했고, 우수한 고온 내구성에 의해 200℃ 이상의 환경에서도 적용 가능하며, 나아가 도 5에 도시된 바와 같이 실시예 1의 발열체 조성물로부터 형성된 발열체가 구비된 3차원 성형 필름 히터는 3차원 성형 후에도 발열균일도가 94% 이상으로 전체 면적에서 균일한 발열 성능을 구현하고 있는 것으로 확인되었고 이는 3차원 성형에 의한 연신시에도 발열체의 저항이 유지되고 크랙 등의 기계적 손상이 억제되었음을 의미한다.
한편, 비교예 1 내지 3의 발열체 조성물은 내열성 강화제가 포함되지 않아 발열체의 연신시 저항변화율이 크게 증가했고, 고온 내구성이 불충분해 3차원 성형시 도 2에 나타난 바와 같이 크랙 등의 기계적 결함이 발생하며 3차원 성형성도 크게 저하된 것으로 확인되었다.
비교예 4의 발열체 조성물은 가교제 함량이 기준 초과로 형성된 발열체의 취성이 과도하여 연신성이 저하되고 결과적으로 3차원 성형시 기계적인 결함이 발생한 것으로 확인되었고, 비교예 5의 발열체 조성물은 접착성 강화제 함량이 기준 초과로 발열체 조성물의 점성이 과도하여 인쇄 및 코팅 특성이 크게 저하된 것으로 확인되었다.
또한, 비교예 6 및 7의 발열체 조성물은 바인더 수지로서 내열성이 부족한 폴리아크릴레이트나 폴리우레탄 수지를 포함함으로써 150℃ 미만의 작업 환경에서만 적용 가능한 문제가 있고, 나아가 3차원 성형시 크랙 발생이나 3차원 성형 후 형상 유지 특성이 불충분한 문제가 있는 것으로 확인되었다.
본 명세서는 본 발명의 바람직한 실시예를 참조하여 설명하였지만, 해당 기술분야의 당업자는 이하에서 서술하는 특허청구범위에 기재된 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경 실시할 수 있을 것이다. 그러므로 변형된 실시가 기본적으로 본 발명의 특허청구범위의 구성요소를 포함한다면 모두 본 발명의 기술적 범주에 포함된다고 보아야 한다.
100 : 베이스 필름 200 : 전극
300 : 발열체 400 : 단열재
500 : 금속판
300 : 발열체 400 : 단열재
500 : 금속판
Claims (12)
- 베이스 필름;
상기 베이스 필름의 일면에 형성되고 서로 다른 극성을 갖는 한 쌍의 전극; 및
상기 한 쌍의 전극 각각에 연결되고 탄소나노튜브를 포함하는 하나 이상의 발열체를 포함하고,
상기 베이스 필름은 인장강도가 80 내지 750 kgf/cm2, 탄성계수가 550 내지 4,000 MPa인 고분자 필름을 포함하는, 3차원 성형이 가능한 필름 히터. - 제1항에 있어서,
상기 고분자 필름은 폴리에틸렌테레프탈레이트(PET), 폴리카보네이트(PC), 폴리사이클로헥실렌디메틸렌테레프탈레이트(PCT), 폴리에틸렌테레프탈레이트글리콜(PETG), 액적 고분자(LCP), 아크릴로니트릴-부타디엔-스티렌(ABS), 고충격폴리스티렌(HIPS), 폴리프로필렌(PP) 및 폴리염화비닐(PVC)로 이루어진 그룹으로부터 선택된 1종 이상의 고분자로 이루어진 필름을 포함하는 것을 특징으로 하는, 3차원 성형이 가능한 필름 히터. - 제1항 또는 제2항에 있어서,
상기 발열체는 바인더 수지, 전도성 입자, 접착력 강화제 및 내열성 강화제를 포함하는 발열체 조성물로부터 형성되고,
상기 접착력 강화제는 폴리비닐아세탈을 포함하고,
상기 내열성 강화제는 실세스퀴옥산 분말을 포함하며,
상기 전도성 입자는 탄소나노튜브를 포함하며,
상기 바인더 수지는 레졸계 페놀 수지, 불포화 폴리에스테르 수지 및 크레졸계 페놀 수지로 이루어진 그룹으로부터 선택된 1종 이상을 포함하는 것을 특징으로 하는, 3차원 성형이 가능한 필름 히터. - 제3항에 있어서,
상기 바인더 수지는 레졸계 페놀 수지 또는 크레졸계 페놀 수지를 포함하고,
상기 발열체 조성물은 가교제를 추가로 포함하는 것을 특징으로 하는, 3차원 성형이 가능한 필름 히터. - 제4항에 있어서,
상기 가교제는 이소포론디이소시아네이트, 헥사메틸렌디이소시아네이트 및 노르보난디이소시아네이트로 이루어진 그룹으로부터 선택된 1종 이상의 이소시아네이트 가교제를 포함하고,
상기 가교제의 함량은 상기 바인더 수지 100 중량부를 기준으로 70 내지 120 중량부인 것을 특징으로 하는, 3차원 성형이 가능한 필름 히터. - 제3항에 있어서,
상기 전도성 입자는 탄소나노튜브(CNT)를 포함하고,
상기 탄소나노튜브(CNT)의 함량은 상기 발열체 조성물의 총 중량을 기준으로 3.5 내지 15 중량%인 것을 특징으로 하는, 3차원 성형이 가능한 필름 히터. - 제6항에 있어서,
상기 전도성 입자는 카본블랙, 그라파이트, 그래핀 플레이크 및 금속 입자로 이루어진 그룹으로부터 선택된 1종 이상을 추가로 포함하는 것을 특징으로 하는, 3차원 성형이 가능한 필름 히터. - 제3항에 있어서,
상기 폴리비닐아세탈은 폴리비닐부티랄(PVB)을 포함하고,
상기 폴리비닐아세탈의 함량은 상기 바인더 수지 100 중량부를 기준으로 10 내지 100 중량부인 것을 특징으로 하는, 3차원 성형이 가능한 필름 히터. - 제3항에 있어서,
상기 실세스퀴옥산 분말은 폴리메틸실세스퀴옥산 분말을 포함하고,
상기 실세스퀴옥산 분말의 함량은 상기 발열체 조성물의 총 중량을 기준으로 0.5 내지 20 중량%인 것을 특징으로 하는, 3차원 성형이 가능한 필름 히터. - 제3항에 있어서,
상기 발열체 조성물은 카비톨 아세테이트, 부틸 카비톨, 부틸 카비톨 아세테이트, 디부틸 에테르(DBE), 부탄올 및 옥타놀로 이루어진 그룹으로부터 선택된 1종 이상의 유기 용매를 포함하는 것을 특징으로 하는, 3차원 성형이 가능한 필름 히터. - 제1항 또는 제2항에 있어서,
상기 한 쌍의 전극은 은(Ag), 알루미늄(Al), 구리(Cu), 니켈(Ni), 스테인레스 스틸 및 이들의 합금으로 이루어진 그룹으로부터 선택된 1종 이상의 전도성 금속으로 이루어진 것을 특징으로 하는, 3차원 성형이 가능한 필름 히터. - 제1항 또는 제2항에 있어서,
상기 베이스 필름의 타면에는 단열재나 금속판이 추가로 구비되는 것을 특징으로 하는, 3차원 성형이 가능한 필름 히터.
Priority Applications (2)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| KR1020210153324A KR102634237B1 (ko) | 2021-11-09 | 2021-11-09 | 3차원 성형이 가능한 필름 히터 |
| PCT/KR2022/007213 WO2023080371A1 (ko) | 2021-11-08 | 2022-05-20 | 3차원 성형이 가능한 발열체 조성물 및 이로부터 형성된 필름 히터 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| KR1020210153324A KR102634237B1 (ko) | 2021-11-09 | 2021-11-09 | 3차원 성형이 가능한 필름 히터 |
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| KR20230067331A KR20230067331A (ko) | 2023-05-16 |
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-
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